Идея создания волноводных голограмм (В Г) возникла примерно 25 лет назад. В 1970 году Л. X. Лин предложил схему записи и воспроизведения голограммы волноводными модами, которые вводились в голографическую пластинку с торца и распространялись внутри нее. Однако термин "волноводная голограмма" впервые был использован авторами Т. Suhara, H. Nishihara, J. Keyama. Они использовали ВГ в качестве элемента оптической интегральной схемы и записали голограммы, которые освещались световой волной, распространяющейся в тонкопленочном волноводе, разработанном специально для интегральной оптики. После опубликования работ Suhara и др. идеи создания ВГ привлекли внимание и получили широкое развитие. Так, А.С.Баблумяном, В.И. Морозовым и А.И. Путилиным была разработана технология записи ВГ и ее применения в системах хранения и обработки информации, оптических вычислениях, связи [1]. Не так давно Бентон [4] получил ВГ, которая совместима с методом записи радужных голограмм.

В публикуемых работах довольно редко предлагается конкретная рабочая схема. Для создания вышеупомянутого голографического дисплея требуется установка, в которой простота обращения сочеталась бы с достаточными возможностями вариации схем. Это необходимо, так как на начальном этапе записи голограмм еще не существует достаточной ясности в геометрии схемы и режимах ее работы. Предлагаемый ниже вариант позволяет провести запись различных видов голограмм, используя волноводные свойства.

Для формирования ВГ необходимо решить обратную дифракционную задачу: по нужному распределению света в интерференционной картине построить вид волновых фронтов, ее образующих. Так как решение этой задачи зачастую неоднозначно, то может быть несколько методов формирования ИО дифракционных элементов (рис. I).

3 - транспарант; 4 - призма связи; 5 - ВГ

Волноводные голограммы могут быть сформированы двумя пересекающимися Волноводными модами [2], результирующая интенсивность регистрируется в слое фоторезиста либо в фотографическом слое (эти слои нанесены на поверхность волновода [3]), либо непосредственно в объеме волновода, если он обладает светочувствительностью. Запись двумя Волноводными модами позволяет изготавливать ДОЭ с нужной дифракционной эффективностью, вплоть до 100%, и с наивысшей пространственной селективностью [7]. По принципу действия эти голограммы аналогичны изготовленным литографически “характеристическим решеткам”, форма которых повторяет форму области пересечения двухволноводных мод при записи ВГ [8].

При записи ВГ в светочувствительном волноводе достигается значительный выигрыш в плотности записывающей энергии, к примеру в [9] описана запись ВГ в волноводе, изготовленном методом обратной диффузии Li в LiNbO₃, излучением Аг+-лазера

(λ=0,4880 μкм). Для плотности мощности в волноводе 1 Вт/м² дифракционная эффективность составила 52%. Запись тем же лазером, но объемными волнами была практически невозможна из-за боль-

шого времени экспозиции и, как следствие, значительного снижения контраста интерференционной картины в результате вибрации экспериментальной установки. Возможность достижения больших плотностей энергии в волноводе может быть полезной для записи решеточных элементов с помощью двухфотонного поглощения [10]. В случае использования этого способа записи ВГ для регистрации неплоских волновых фронтов (одномерные объекты) необходимо учитывать искажения сигнала при вводе излучения предметного пучка в волновод.

В ряде случаев положительные результаты дает запись на “зоне связи”, т. е. в области нарушенного полного внутреннего отражения на границе светочувствительный волновод - призма связи [12]. Однако в случае записи двумя поверхностями, а также поверхностной и объемной волнами устройства ввода излучения в волновод дополнительные призмы являются источником искажений и шума. Поэтому при записи двумерных изображений оптимальной является запись ВГ объемными волнами [13]. К тому же такая запись не предъявляет каких-либо дополнительных требований к регистрирующей среде. Кроме простоты схемы запись объемными волнами позволяет избежать влияния шумов волновода на стадии экспонирования. Поскольку запись производится светом с длиной волны λ_з < λ_в, то рассеяние света при записи Волноводной модой выше, чем при воспроизведении Волноводной модой с λ_в кроме того, отпадает необходимость подбора призмы связи по коэффициенту пропускания на λ_з . По сравнению с записью на "зоне связи" при записи объемными волнами отсутствуют повреждения волновода, возникающие при прижатии призмы, нет потерь света на устройстве связи и аберраций, связанных с преломлением предметного пучка на гранях призмы связи.

Свойство модовой селективности призменного устройства является следствием того факта, что свет в каждой моде внутри волновода распространяется с различной скоростью и для связи требуется непрерывное согласование фаз. Определенный угол падения, необходимый для введения света в заданную моду, или угол излучения света из данной моды можно точно рассчитать. Таким образом, призменные устройства связи можно использовать для анализа мод волновода. Это можно осуществить двумя путями. В первом методе изменяется угол падения коллимированного монохроматического лазерного луча на входную призму связи и отмечаются углы, при которых в волноводе возбуждаются оптические моды. Распространение оптической энергии в волноводе можно наблюдать простой установкой фотодетектора на выходном конце волновода. Затем, исходя из данных об углах падения, можно определить, какие моды могут распространяться в волноводе. В другом методе используется выходная призма связи. В этом случае монохроматический свет вводится в волновод так, чтобы возбудить все Волноводные моды. Например, расходящийся лазерный пучок либо от полупроводникового, либо от газового лазера, излучение которого прошло через линзу для создания расходимости, фокусируется на входной грани волновода. Так как свет не коллимирован, а входит в волновод под разными углами, некоторая часть энергии вводится во все Волноводные моды, для которых волновод не является критическим на данной длине волны. Если призма затем используется в качестве входного элемента связи, то свет от каждой моды излучается из призмы под различными углами. С другой стороны, отдельные моды можно идентифицировать путем расчета из данных о положениях углов появления излучения. Так как толщина волновода во много раз меньше его ширины, то свет от каждой моды появляется в виде полоски, образуя серию так называемых "m линий", соответствующих определенному модовому числу.

вых скоростей волн в направлении оси z как для волновода, так и для пучка. Одним из решений этой проблемы согласования фаз является использование призмы.

Призменные элементы связи можно использовать в качестве как входных, так и выходных элементов. При использовании их в качестве выходных элементов призма располагается так, что направление распространения каналированного в волноводе излучения совпадает с отрицательным направлением оси z. Если в волноводе распространяется несколько мод, то вывод света происходит под своим определенным углом для каждой моды. В связи с данной особенностью призменные элементы связи можно использовать в качестве приборов для анализа относительной мощности в каждой из волноводных мод. Кроме того, можно использовать призму для определения волноводных потерь, передвигая ее относительно волновода. Однако при этом следует обратить особое внимание на то„ чтобы механическое давление, оказываемое на призму, было одинаково во всех измерениях, чтобы зазор, а следовательно, и коэффициент связи были бы постоянными.

Одним из недостатков призменных элементов связи является то, что величина n_p должна быть больше не только величины n₁ но

и величины n₂ Это так, потому что показатель преломления n₂ волновода вообще близок к показателю преломления подложки n₃, что приводит к следующему выводу. В случае стеклянных волноводов с показателями преломления ~ 1,5 сравнительно легко подобрать подходящий материал для призмы с n_p >n₂. Однако для полупроводниковых волноводов, материалы которых обычно имеют значения показателей преломления 3 или 4, значительно труднее подобрать подходящий материал для призмы.

Другим недостатком призменных элементов связи является то, что падающий пучок должен быть очень хорошо коллимирован из-за острой зависимости от угла эффективности связи для определенной моды. По этой причине призменные элементы связи нельзя эффективно использовать в сочетании с полупроводниковыми лазерами, которые дают пучки с угловой полушириной расходимости излучения 10-20 град. Тем не менее, призменный элемент вместе с

В эксперименте по отработке техники ВГ решалась задача по записи двумерного транспаранта максимальной прозрачности, формируемого на зоне связи. В качестве волновода использовалась стеклянная подложка с нанесенной на нее регистрирующей средой (стандартная голографическая пластинка). Схема экспериментальной установки состояла из следующих элементов: лазер; полупрозрачное зеркало; серебряное зеркало; микрообъектив; объектив с пространственным фильтром; линза; фотографический коллимирующий объектив; матовый рассеиватель; транспарант; призма связи; волновод с регистрирующим слоем.

Поясним работу схемы (рис.2).

На предлагаемой установке был записан двумерный транспарант, размером 1,5х1,5 см, работающий на полном внутреннем отражении, а также система ввода-вывода объемной волны, способной преобразовывать коллимированную падающую волну в расходящуюся при выводе. Требуемая прозрачность транспаранта частично достигалась за счет уменьшения дифракционной эффективности, а также использования фотопластинок ПФГ-03, сокращения времени отбеливания. В основном же использовался стандартный процесс проявки и отбеливания на базе проявителя D-76.

Авторы выражают признательность А.Н.Путилину за постановку задачи, Ю.П.Бородину за ценные рекомендации по проведению эксперимента, И.Н.Компанцу за помощь в организации работы, а также А.М. Пильнику за подготовку данной статьи.

Рис. 3. Общий вид призменного элемента связи и штатива

3. Мировицкий Д.И., Будагян И.О., Дубровин В.Ф. Микроволноводная оптика и голография. М.:Наука, 1983. 4. Benton S. A. Birner S.M., Shirakura A. // Edge- lit rainbow holograms //Soc. Photo-Opt. Instrum Eng. 1990. V. 1212. P. 149-157. 5. Upatnieks J. Compact holographic sight // J.Opt.Soc. Am.A. 1985. N

9. Wood V.E, Hartman N., Glass А.М. // Appl. Phis. Letts. 1975. V. 46.

10. Verber C.M., Hartman N.E., Glass А.М. // Appl. Phys. Letts. 1977.

13. Suhara Т., Nishihara H., Koyama J. // Trans. 1ECE of Japan. 1978.

16. Kim S. H., Foustad С. G. // IEEE J. 1979. QE- 15. P. 1405.